研究背景

全球对能源短缺和环境问题的关切推动了清洁高效能源转换的需求。太阳能因其广泛分布、环保、丰富资源和可持续性备受关注。太阳能热转换是重要的利用方式，涉及光热转换材料的研究。传统材料受限于吸收光谱和稳定性。研究人员通过超材料的独特结构和卓越光学性能提高了光热发电效率。其中，矩形分层腔超表面（RLCM）通过优化结构参数实现了近乎完美的光吸收，为高效光热转换提供了新思路。在310-4235 nm超宽光谱范围内，RLCM超表面全太阳光谱下的加权吸收率超过97%。其在多波长光照下表现出一致的高效光热转换，为光热器件的发展提供创新方向。

研究内容

图1显示了组成单元的结构阵列（图1（a））和横截面（图1（B））。RLCM结构自下而上由Ti基片和SiO2薄膜组成，在其上交替覆盖4对Ti和SiO2薄膜，并在此基础上形成长方体空气腔。

图1.（a）RLCM吸振器结构阵列图，（b）吸收器的平面图。

图2（a）展示了矩形分层腔超表面（RLCM）在连续波（CW）激发下的超宽带吸收，覆盖紫外至近红外波段，实现近乎完美的光吸收。在图2（b）中，比较了RLCM吸收器与太阳辐射AM 1.5G标准光谱的太阳能吸收，结果显示其吸收光谱与标准光谱几乎一致。并且该吸收器的太阳能加权吸收效率超过97％，表明RLCM在光热转换中能最大程度地利用太阳能。此外，在440 nm、600 nm、2060 nm和3620 nm处的四个吸收峰显示了局部表面等离子体共振的强烈激发，而金属-电介质界面的法布里-珀罗干涉进一步提高了光吸收效率。

图2.（a）在正常光照下，RLCM的光学特性范围为280-4500 nm，（b）太阳辐射标准光谱和RLCM吸收器的太阳能吸收。

图3显示了吸收器在不同峰值处的电场图。金属等离子体微/纳米结构通过光激发、电子-电子散射和电子-声子耦合的复杂机制实现了对特定波长范围内光的吸收，引发局部表面等离子体共振和热电子的重新分布。这一过程导致热量通过电子-声子耦合传递到金属晶格，并最终通过声子-声子耦合在周围介质中散失，形成局部热点并提高温度。在1000 nm波长的CW激发条件下，对矩形分层腔超表面（RLCM）进行的瞬态加热和稳态温度分布的计算显示，RLCM在吸收入射光的同时能够有效产生光热效应。这为RLCM在实际应用中的光热转换提供了重要的参数。通过调整太阳能聚光器C，验证了在标准太阳辐射光谱（AM 1.5G）下，RLCM可根据需要灵活调整，为不同应用场景提供了关键的温度控制。

图3.（a）-（d）吸收体分别在440 nm、600 nm、2060 nm和3620 nm处的电场分布。

图4（a）和4（b）展示了在C=500的条件下，矩形分层腔超表面（RLCM）在连续光照射下1毫秒内的瞬态温度及其随时间的变化。在空气中，1毫秒内持续照射时，结构的瞬态最高温度达到491°C。图4（c）展示了C=500时RLCM的稳态温度分布，高达645°C，满足多数光热应用的温度需求。在相同浓度下，图4（d）显示在水中的稳态温度达到264°C。这表明RLCM在连续波激励下能高效产生光热，为水处理、蒸汽发电和光热治疗等领域提供了实现所需高温的潜力。

图4.（a）C=500时的瞬态温度分布，1 ms，（b）C=500时，RLCM的瞬态温度随时间变化，（c）C=500时RLCM在空气中的稳态温度分布，（d）C=500时RLCM在水中的稳态温度分布。

图5（a）和5（b）展示了C=500条件下，0.1 ms连续波激励下矩形分层腔超表面（RLCM）的热功率密度（dQ）体积分布和瞬态温度分布，热源主要集中在金属层。图5（c）显示了RLCM在空气和水中的稳态温度随入射光强度变化，可通过调节激发光强度实现所需温度。图5（d）展示了不同波长和光强下RLCM的稳态温度，结果表明RLCM在太阳能热发电、海水淡化和光热器件等领域具有出色的稳态温度性能，突显其广泛应用潜力。

图5.（a）1000 nm波长平面波照射下RHM的热功率体积密度分布，（b）C=500，0.1 ms的极短光激发后RLCM瞬态温度分布，（c）不同太阳能浓度下RHM吸收体在空气或水中的稳态温度，（d）不同太阳能集中度下稳态温度分布与波长的关系。

结论与展望

这项研究展示了一种高效的太阳能吸收器，通过采用基于难熔金属的创新设计。该吸收器通过优化超材料的性能，实现了高效的光热转换。利用难熔金属的卓越吸收性能，该吸收器在310 nm-4235 nm波长范围内实现了理想的吸收，覆盖了整个太阳光谱。在聚光比为500的条件下，光热转换过程迅速完成，产生令人印象深刻的高稳态温度。这一发现为太阳能集热、光热治疗等领域提供了有前途的应用前景。